在量子力學(xué)中，粒子可以同時以多種狀態(tài)存在，這違背了日常經(jīng)驗的邏輯。這種特性被稱為量子疊加，是新興量子技術(shù)的基礎(chǔ)，有望改變計算、通信和傳感技術(shù)。但是，量子疊加面臨著一個重大挑戰(zhàn)：量子退相干。在這一過程中，量子態(tài)的微妙疊加會在與周圍環(huán)境相互作用時崩潰。    

羅切斯特大學(xué)的研究人員報告了一種策略，可用于了解分子在具有完全化學(xué)復(fù)雜性的溶劑中如何失去量子相干性。這些發(fā)現(xiàn)為通過化學(xué)設(shè)計和功能化合理調(diào)節(jié)量子相干性打開了大門。

這些發(fā)現(xiàn)可用于設(shè)計具有定制量子相干特性的分子，為新興量子技術(shù)奠定化學(xué)基礎(chǔ)。

量子退相干的挑戰(zhàn)

為了釋放化學(xué)的力量，為實際量子應(yīng)用構(gòu)建復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)，科學(xué)家需要理解和控制量子退相干，從而設(shè)計出具有特定量子相干特性的分子。要做到這一點，就需要知道如何合理地改變分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)，以調(diào)節(jié)或減輕量子退相干。為此，科學(xué)家們需要知道"譜密度"，這個量概括了環(huán)境移動的速度及其與量子系統(tǒng)相互作用的強度。

光譜密度測量的突破

迄今為止，理論和實驗仍然無法量化這種能準確反映分子復(fù)雜性的光譜密度。但是，一個科學(xué)家團隊已經(jīng)開發(fā)出一種方法，可以利用簡單的共振拉曼實驗提取溶劑中分子的光譜密度--這種方法可以捕捉到化學(xué)環(huán)境的全部復(fù)雜性。在羅切斯特大學(xué)化學(xué)和物理學(xué)副教授伊格納西奧-佛朗哥（Ignacio Franco）的領(lǐng)導(dǎo)下，該團隊在《美國國家科學(xué)院院刊》上發(fā)表了他們的研究成果。

將分子結(jié)構(gòu)與量子退相干聯(lián)系起來

利用提取的光譜密度，不僅可以了解退相干發(fā)生的速度，還可以確定化學(xué)環(huán)境的哪一部分對退相干負有主要責(zé)任。因此，科學(xué)家現(xiàn)在可以繪制退相干路徑圖，將分子結(jié)構(gòu)與量子退相干聯(lián)系起來。

"分子結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)的化學(xué)和物理性質(zhì)"是化學(xué)的基本原理。這一原理指導(dǎo)著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)和能源應(yīng)用的分子設(shè)計。羅切斯特大學(xué)的化學(xué)研究生、本研究的第一作者伊格納西奧-古斯汀（Ignacio Gustin）說："利用這一策略，我們終于可以開始為新興的量子技術(shù)制定化學(xué)設(shè)計原則了。"

共振拉曼實驗： 關(guān)鍵工具

當(dāng)研究小組認識到共振拉曼實驗可以產(chǎn)生研究具有完全化學(xué)復(fù)雜性的退相干性所需的全部信息時，研究取得了突破性進展。這類實驗通常用于研究光物理和光化學(xué)，但它們在量子退相干方面的作用卻沒有得到重視。羅切斯特大學(xué)化學(xué)系副教授、拉曼光譜學(xué)專家大衛(wèi)-麥卡曼（David McCamant）和韓國全南國立大學(xué)教師、量子退相干專家金昌宇（Chang Woo Kim）在羅切斯特大學(xué)從事博士后研究期間，通過與他們的討論，提出了一些重要見解。

案例研究： 胸腺嘧啶退相干

研究小組利用他們的方法首次展示了胸腺嘧啶（DNA 的組成成分之一）在吸收紫外線后如何在短短 30 飛秒（1 飛秒是十億分之一秒的百萬分之一）內(nèi)解開電子疊加。他們發(fā)現(xiàn)，分子中的一些振動主導(dǎo)了退相干過程的初始步驟，而溶劑則主導(dǎo)了后期階段。此外，他們還發(fā)現(xiàn)胸腺嘧啶的化學(xué)修飾會顯著改變退相干速率，胸腺嘧啶環(huán)附近的氫鍵相互作用會導(dǎo)致更快的退相干。

未來影響和應(yīng)用

最終，研究小組的研究為理解量子退相干的化學(xué)原理開辟了道路。弗蘭科說："我們很高興能利用這種策略最終理解具有完全化學(xué)復(fù)雜性的分子中的量子退相干，并利用它來開發(fā)具有強大相干特性的分子。"

參考文獻：《繪制分子中的電子退相干途徑》，作者：Ignacio Gustin、Chang Woo Kim、David W. McCamant 和 Ignacio Franco，2023 年 11 月 28 日，《美國國家科學(xué)院院刊》。

DOI: 10.1073/pnas.2309987120

編譯來源：ScitechDaily